追求高功率密度和低铂催化剂负载量是开发高性能燃料电池（FC）的巨大挑战。在此，提出了一种新型超级燃料电池（SFC），通过比电双层电容（EDLC）+氧还原反应（ORR）并联放电实现超高输出功率，这是使用新制备的催化剂，单原子铂在双金属金属有机骨架（MOF）衍生的中空多孔碳纳米棒（Pt_SA/HPCNR）。基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC具有比20% Pt/C基FC高3.4倍的瞬态比功率密度和13.3倍长的放电时间，并且具有独特的原位自充电和储能能力。 X射线吸收精细结构、像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和密度泛函理论计算表明，锚定在碳缺陷上的Pt单原子的协同效应显着提高了其电子转移、ORR催化活性、耐用性和倍率性能，实现快速的“ORR+EDLC”并行放电机制，克服传统FC缓慢的ORR过程。有前景的 SFC 开辟了一条提高超低 Pt 负载量 FC 功率密度的新途径。
 
Fig 1. 基于20% Pt作为空气阴极的常规燃料电池和基于Pt_SA-1.74/HPCNR作为空气阴极、具有“ORR+EDLC”并联放电和自充电能力的超级燃料电池在不同放电场景下的示意图。
   
Fig 2. 20% Pt/C基FC和Pt_SA-1.74/HPCNR基SFC的脉冲放电曲线，其中施加了a）10、b）300和C）500 mA cm⁻²的脉冲电流密度。d） 20% Pt/C基FC和Pt_SA-1.74/HPCNR基SFC在不同脉冲电流下的瞬态功率比较。FC和SFC在e）1、f）10和g）200 mA cm⁻²时的恒电流放电曲线。（h） 20% Pt/C基FC和Pt_SA-1.74/HPCNR基SFC在1–400 mA cm⁻²的不同时间的能量比较。i） 基于20% Pt/C的FC中的放电机制和基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC系统中的“ORR+EDLC”平行放电机制的示意图。
  
Fig 3. a） 20 mA cm⁻²条件下50次循环的GCD曲线。b） 在20 mA cm⁻²下充电50次循环后，基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC的放电曲线。c） 基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm⁻²下自充电50次循环后的长期稳定性测试。d） 基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm⁻²下自充电50次循环后的放电曲线。e） 基于Pt_SA-1.74/HPCNR的SFC系统中的自充电机制示意图。
  
Fig 4. a） 固定在高容量双金属MOF衍生的中空多孔碳纳米棒（Pt_SA-m/HPCNR）复合材料上的Pt_-SAs的合成路线示意图。TEM、b）In₁Zn₂-HCNR-4、c）HPCNR-4和d）Pt_SA-1.74/HPCNR材料的相应HR-TEM图像和SAED图案。e） HAADF-STEM图像，f）AC-HAADF-SEM图像，以及g）Pt_SA-1.74/HPCNR材料的放大图像。h） EDX光谱和i）Pt _SA-1.74/HPCNR材料的相应EDX元素映射图像。
  
Fig 5. Pt_SA-1.74/HPCNR催化剂中原子的电子态。a） Pt_SA-1.74/HPCNR的高分辨率Pt 4f XPS光谱。b）对于Pt箔、PtO₂和Pt_SA-1.74-HPCNR，XANES光谱和c）k³加权Pt L₃边缘的FTEXAFS光谱。d）Pt_SA-1.74/HPCNR、e）Pt箔和f）PtO₂的k³加权的Pt L₃边WT-EXAFS轮廓图。
  
Fig 6. HPCNR-4、Pt_SA-1.74/HPCNR和20%Pt/C电极在a）1A g⁻¹和b）100 A g⁻¹下的GCD曲线。c） HPCNR-4、Pt_SA-0.92/HPCNR、Pt_SA-1.74/HPCNR和Pt_NP-3.59/HPCNR以及20% Pt/C电极的倍率性能，以及报告文献中作为SC电极的相关碳材料的比电容的比较。d） HPCNR-4和Pt_SA-1.74/HPCNR电极在100 000次循环期间在100 A g⁻¹下的长循环性能，插入d）100 000次周期前后100 mV s⁻¹的CV曲线。（e） 所获得的HPCNR-4、Pt_SA-1.74/HPCNR和20% Pt/C电催化剂在N₂-/O₂饱和的0.1 M KOH电解质中的CV图，具有10 mV s⁻¹。f） 在5 mV s⁻¹的扫描速率下，1600 rpm下RRDE测试的LSV图，插入HPCNR-4、Pt_SA-m/HPCNR和20% Pt/C ORR催化剂的f）Tafel曲线。g） 所制备的催化剂和20% Pt/C在0.9V下相对于RHE的质量活性以及相关文献比较了相关Pt基催化剂的质量活性。（h） 20小时的稳定性评估。
  
Fig 7. a） 优化的结构和b）Pt-C₂/G、Pt-C₃/G和Pt-C₄/G的电荷密度差。黄色区域表示电荷增加，蓝色区域表示电荷损失。c） 原始G、Pt-C₂/G、Pt-C₃/G和Pt-C₄/G的组合投影态密度（PDOS）。d） 吸附自由能(△G_ads）在Pt-C₂/G、Pt-C₃/G和Pt-C₄/G上的不同ORR中间体OOH*、O*和OH*。Pt-C₂/G、Pt-C₃/G和Pt-C₄/G在e）0V和1.23V以及f）0.84V下不同ORR中间体OOH*、O*和OH*的自由能图。原子颜色-灰色：C，葡萄酒：Pt，粉红色：O，白色：H。
 
       相关研究工作由北京化工大学Junqing Pan 课题组于2023年在线发表在《Adv. Mater.》期刊上，Bimetallic-MOF Derived Carbon with Single Pt Anchored C4 Atomic Group Constructing Super Fuel Cell with Ultrahigh Power Density And Self-change Ability.原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202308989

转自《石墨烯研究》公众号